JPH06300251A

JPH06300251A - 燃焼器および燃焼器用燃料空気供給方法

Info

Publication number: JPH06300251A
Application number: JP8902893A
Authority: JP
Inventors: Mitsuyoshi Nakamoto; 充慶中本; Hirohisa Kato; 博久加藤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-04-16
Filing date: 1993-04-16
Publication date: 1994-10-28

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、窒素酸化物の排出の少ないクリーン
な燃焼器を提供するものである。【構成】完全予混合バーナ３と熱交換器６と燃焼室壁２
０とから燃焼室４を形成し、前記完全予混合バーナ３に
燃料を供給するノズル１１と燃焼用空気を送る送風機
２、燃料を前記燃料ノズル１１に供給する燃料制御弁１
４を設け、前記送風機２には風量検出器１０を設け、風
量検出器１０を接続したファン制動装置２７と燃料制御
装置１４を備えた構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は予混合バーナを用いた民
生用燃焼機器と、その燃料空気の供給方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、民生用給湯器において、熱源とし
て燃焼熱を利用するものが多く、ブンゼンバーナを用い
て、天然ガス等の気体燃料を燃焼し、高温の燃焼熱を発
生していた。ブンゼンバーナでは、部分予混合気を利用
し、予混合火炎と拡散火炎を形成する２重火炎を形成し
ていた。この部分予混合燃焼のブンゼンバーナは、火力
絞り幅を比較的大きくとることができ、また予混合気の
空気過剰率の大きな変化に対しても安定燃焼するという
長所を有しているが、一方、窒素酸化物（ＮＯX）の排
出量が多い欠点がある。

【０００３】近年、燃焼機器から排出されるＮＯX の削
減が社会問題となっている。このＮＯX の排出を削減す
る燃焼方式として、完全予混合燃焼が注目されている。
完全予混合燃焼では、図９に示すように、燃料が希薄な
ほどＮＯX は低くなる。ブンゼンバーナを用いて完全予
混合燃焼をする場合に、燃料が希薄なほど、最大出力か
ら最小出力まで絞る際に空気過剰率のバランスがくずれ
易く、火炎が容易に消えるという欠点を有していた。

【０００４】また従来の部分予混合燃焼のブンゼンバー
ナで使用していた送風機と燃料制御弁を、そのまま完全
予混合燃焼のブンゼンバーナに利用すると、最大出力か
ら最小出力に絞る場合に火炎が消えてしまい、これらの
送風機と燃料制御弁をそのまま完全予混合燃焼に使用す
ることができないことがわかった。

【０００５】従来の送風機と燃料制御弁を用いて完全予
混合燃焼をした場合の、送風機と燃料制御弁の作動状況
を図１０に示す。この図において、最大出力に設定した
ときから最小出力に絞った場合の送風機と燃料制御弁の
絞り率を示している。ここで、横軸は時間（秒）であ
る。ここでは、送風機の動力に直流モータを、燃料制御
弁には電磁弁を使用した場合であり、その動作速度は燃
料制御弁のほうが送風機よりもきわめて速い。

【０００６】図１１には、図１０で示した送風機と燃料
制御弁を使用して、最大出力に設定したときから最小出
力に絞った場合の空気過剰率の変化を示す。縦軸は空気
過剰率、横軸は図１０と同様に時間（秒）を示す。最大
出力と最小出力ともに空気過剰率は１．５に設定してい
る。最大出力から燃料流量を絞った直後には空気過剰率
は１．５から可燃限界の空気過剰率（メタンの場合、２
〜２．２）をはるかに越えて１０近くまで上昇する。１
秒過ぎても可燃限界を越えており、最大出力から絞った
場合には火炎は消えてしまうことがわかる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで完全予混合燃
焼では空気過剰率が大きいほどＮＯX の排出量が少な
い。しかし、空気過剰率が大きくなるほど燃焼が不安定
となる。特に、熱出力を急速に絞る場合、燃料の流量は
電磁弁で急速に絞ることができる。しかし、空気は送風
機に加える電圧を下げてもファンおよびモータの慣性に
より、ファン回転数の減速が遅くなり、空気流量の絞り
が遅れる。そのため、空気過剰率が一時的に大きくな
り、場合によっては希薄側の可燃限界を越えてしまい、
容易に火炎が消えてしまう。

【０００８】本発明は、前記従来の問題に留意し、上記
のような火炎が容易に消える欠点を解消し、ＮＯX の排
出の少ない燃焼器を提供することを目的とするものであ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前期目的を達成するため
に本発明の第１の課題解決手段は、予混合バーナを備え
た燃焼器であって、燃料を燃料制御弁から前記燃料ノズ
ルに供給し、燃焼用空気を送風機から供給し、前記送風
機には風量検出器とファン制動装置を設け、前記風量検
出器を燃料制御装置に接続した構成とする。

【００１０】第２の課題解決手段は、予混合バーナを備
えた燃焼器であって、燃料を燃料制御弁から前記燃料ノ
ズルに供給し、燃焼用空気を送風機から供給し、前記送
風機には風量検出器を設け、前記風量検出器をファン制
動装置に接続した構成とする。

【００１１】第３の課題解決手段では、予混合バーナを
備えた燃焼器であって、燃料を燃料制御弁から前記燃料
ノズルに供給し、燃焼用空気を送風機から供給し、前記
送風機には風量検出器とファン制動装置を設ける。前記
風量検出器は制御装置を介して風量制御装置と燃料制御
装置に接続した構成とする。

【００１２】第４の課題解決手段は、予混合バーナを備
えた燃焼器であって、送風機と燃料ノズルの間に空気通
路を設け、空気通路に空気弁を設け、熱出力を下げる場
合に、空気弁を作動させ、燃焼用空気を減少させる構成
とする。

【００１３】第５の課題解決手段は、予混合バーナを備
えた燃焼器であって、送風機の下流側に空気通路を設
け、空気通路は燃料ノズルに至る燃焼用空気通路と予混
合バーナに至る二次空気通路よりなり、燃焼用空気通路
に空気弁を設け、熱出力を下げる場合に空気弁を作動さ
せ、燃焼空気を減少させる構成とする。

【００１４】

【作用】前記第１の課題解決手段では、送風機で供給す
る風量の絞りを急速に行ない、燃料制御弁の絞りに合わ
せ、急速な熱出力の変化に対して空気過剰率の変化を小
さくする。

【００１５】第２の課題解決手段では、燃料の絞り量を
送風機の絞り量に合わせ、消費電力が少なくても空気過
剰率を一定に保持する。第３の課題解決手段では、送風
機の流量を急速に絞り、燃料流量の絞りを遅らせ、空気
過剰率を精度よく一定に保持する。

【００１６】第４の課題解決手段では、空気弁により、
燃焼用空気を減少させ、空気過剰率の変化を小さくす
る。第５の課題解決手段では、燃焼用空気通路と二次空
気通路を有し、燃焼用空気通路の空気量を絞り、外気か
ら大きな風圧がかかっても安定燃焼する。

【００１７】

【実施例】図１は本発明のバーナを給湯器に搭載した場
合の一実施例の断面を示しており、図において１は給湯
器であり、送風機２、バーナ３、燃焼室４、排気筒５、
熱交換器６、制御装置７が燃焼器としての基本的な構成
要素である。前記送風機２はファン８、モータ９、風量
検出器１０が備えられている。前記バーナ３はノズル１
１、混合室１２、炎孔部１３からなり、ノズル１１には
燃料制御弁１４が接続されている。熱交換器６は、フィ
ン１５、水管１６からなるフィンチューブ型熱交換器を
採用する。水管１６には水の入り口側に水圧力検出器１
７、水量制御弁１８を、また出口側にコック１９が接続
されている。前記燃焼室４は、熱交換器６とバーナ３と
燃焼室壁２０で囲まれている。制御装置７には風量検出
器１０、モータ９、燃料制御弁１４、水圧力検出器１
７、水量制御弁１８が接続されている。熱交換器６の出
口側には排気筒５が接続されており、排気筒５の出口を
排気口２１としている。

【００１８】上記構成において、送風機２から供給され
た燃焼用空気２２はノズル１１から噴出した燃料ガス２
３と混合管内で予混合気となり、炎孔部１３上で火炎２
４を形成し、高温の燃焼ガス２５を発生する。この燃焼
ガス２５は、フィン１５の間を通過し、水管１６内を流
れる水に熱を供給し、高温の湯をつくりだす。燃焼ガス
２５は低温となり、排気口２１から大気に放出される。

【００１９】燃焼室４内には火炎検出器２６が設置され
ている。この火炎検出器２６ではサーモスカップルを温
度センサとしており、火炎温度を検出する。そして一定
温度以上であれば、燃焼しているか、失火しているかが
判断できる。予混合気の空気過剰率が１を越えると空気
過剰率が大きくなり、この空気過剰率が大きいほど、火
炎温度が低くなり、ＮＯＸの排出量が少なくなる。燃焼
熱量を固定すると、空気過剰率と温度は一対一の対応と
なるので、温度を検出することで空気過剰率を検出する
ことができる。

【００２０】ここで第１の手段として、熱出力を絞る場
合に、送風機２の絞り量を燃料の絞り量に合わせ、空気
過剰率を一定に保持する。この熱出力を絞る場合とし
て、特に出湯温度が一定で、急速に出湯量を減少させる
場合を想定し、また、送風機２の回転数が低下する応答
時間は燃料制御弁１４が閉じる応答時間に比べて長いた
め、送風機１２のファン８の回転数を強制的に小さく
し、燃料制御弁１４の応答に対応させる。前記強制的に
ファン８の回転数を下げるためにファン制動装置２７を
設け、送風機２のモータ９への直流電源のプラスマイナ
スを逆にし、モータ９の回転を急速におとす。

【００２１】図２には、熱出力を絞った場合の風量と燃
料流量の変化を示す。またそのときの空気過剰率の変化
を図３に示す。空気過剰率は可燃限界以内に設定され
る。ソレノイドを使用した燃料制御弁１４を使用してい
るため、燃料の供給量の制御の応答は、極めて速く、
０．１秒以内である。これに対して、送風機２にファン
制動装置２７（たとえば電源ブーレキ）を採用すること
でモータ９の回転数を急速に落とし、送風量を下げるこ
とができる。その結果、空気過剰率を一定の状態で、熱
出力を下げることができる。このように燃料流量に対応
して風量の制御を行うと、供給する湯の量を急速に絞っ
た場合でも湯温の上昇はほとんどなく、１℃以内に抑え
ることができる。一方熱出力を増加させる場合には、水
温を水温検知器２６で検出し、水量制御弁を温度一定に
なる範囲で調節し、湯の流量を徐々に所定流量に増加さ
せる。ここで送風機９に電源ブレーキを使用した例をし
めしたが、ファン８に回転と逆方向に回転トルクを強制
的にかけると良く、機械的ブレーキでもある程度の効果
が見られる。

【００２２】第２の手段として、出湯温度が一定で出湯
量を絞り熱出力を急速に下げる場合に、燃料流量を絞る
速さを空気流量を絞る速さに対応して遅くし、空気過剰
率を可燃限界を越えないように設定する。すなわち、送
風機２の回転数を風量検出器１０で検出し、その空気流
量に相当する燃料の流量を供給するため、燃料制御弁１
４の開度を調節する。図４では最大を１とした場合、最
大から最小の０．２まで１／５に絞る場合、０．１づつ
燃料流量を空気流量に合わせて減少させる場合を示して
いる。このとき、送風機２のファン回転数が増加すると
送風量が増加する関係にあり、ファン８の回転数が決ま
ると送風量がきまる。

【００２３】燃料と空気の供給量を調節する場合の送風
機２と燃料制御弁１４の動作状況を述べる。コック１９
を絞ると湯の流量が減少し、水温がわずかに上昇する。
このわずかな水温の温度上昇を湯温検出器２８で検出
し、ファン８の回転数を絞る。ファン８の回転数を風量
検出器１０で検出し、回転数に応じたパルス信号を制御
装置７でモニターする。最大熱出力から最小熱出力に絞
る場合、燃料制御弁１４は、風量検出器１０で検出した
信号に対応して、燃料制御弁１４を通過する燃料流量を
調整する。このとき、回転数が１０％減少するとそれに
対応して燃料流量を変化させる。そのため、燃料流量の
変化は図４のように階段状の変化している。個々で１０
％ごとに燃料流量を変化させたのは、時間あたりのパル
ス数を制御装置７で演算するための時間が必要であるた
めである。また、空気過剰率は図５のように鋸状に変化
しているが、可燃限界を越えることはない。したがっ
て、火炎は消えることなく、熱出力が最大から最小まで
安定に形成される。実際に使用する場合には、最大から
０．５まで絞る場合や０．５から０．２まで絞る場合な
ど、様々に絞る場合が考えられる。その場合には、送風
量と燃料流量の比率が設定値になるまで燃料流量を調整
するとよい。

【００２４】最小熱出力から最大熱出力に増加させる場
合には、回転数が１０％増加するたびに燃料流量をそれ
に対応して変化させる。また、最大と最小の間で熱出力
を調節する場合も同様に変化をさせるとよい。調整範囲
が１０％以内の場合は、１秒以上の時間経過後に燃料流
量を調整する。このように、ファン回転数に合わせて、
燃料流量を調整することにより、少ない電力消費量で空
気過剰率が一定の状態で熱出力を下げることができる。
図６、図７はその絞り率、空気過剰率の特性を示す。

【００２５】第３の手段として、出湯温度が一定で出湯
量を絞り熱出力を急速に下げる場合に、送風機２のモー
タ９にブレーキをかけ急速に回転数を下げ、一方、燃料
制御弁１４を徐々に絞り、空気過剰率を一定の状態を確
保する。このとき、湯温とモータ９の回転数ならびに燃
料制御弁１４の開度は連動している。前記第２の手段で
はモータ９を急速にブレーキをかけるため、電流が大量
に流れたが、この第３の手段では燃料制御弁１４を徐々
に絞ることにより、モータ９を流れる電流を少なくする
ことができる。このように、燃料制御弁１４の応答速度
を遅らせ、送風機２のファン回転数減少の応答速度を速
くすることにより、空気過剰率を精度よく一定の状態で
熱出力を下げることができる。

【００２６】第４の手段として、図８に示すように送風
機２の下流側に空気通路２９を設け、この空気通路２９
に空気弁３０を設けた、前記空気通路２９は燃焼用空気
通路３１と二次空気通路３２に分かれた構成とする。

【００２７】ここで空気弁３０は常時開放状態である
が、出湯温度が一定で出湯量を絞り熱出力を急速に下げ
る場合、燃料制御弁１４を絞ると同時に空気弁３０を閉
じ、燃焼空気を減少させる。２秒後には空気弁３０は開
放状態となる。このように空気弁３０を作動すると、燃
焼用空気の供給量を減少させることができ、予混合気の
空気過剰率を一定に保持することができる。燃料流量の
減少に対応して、湯温検出の際、温度上昇が大きいほど
空気弁３０の開度をより小さくする。このとき、燃料流
量も湯温の上昇に対応しており、湯温を常時一定に保持
するようになっている。それと同時に空気過剰率も一定
に保持する。

【００２８】さらに図８において、空気通路２９は燃焼
用空気通路３１と二次空気通路３２に分かれているが、
熱出力を下げた場合に、燃焼用空気は減少するが、二次
空気通路３２に空気が流れるため、排気口２１に逆風が
かかった場合にも燃焼ガスの流出圧力と流量を十分に確
保するため、燃焼を不安定にすることはない。

【００２９】完全予混合バーナを使用した給湯器におい
て熱出力を急速に下げる場合に、特に湯温が一定の状態
で出湯量を急速におとす場合に、湯温の温度上昇を検知
し、その上昇速さに応じて、燃料制御弁１４の開度と送
風機２のファン制動装置２７の電圧を調節する方法によ
り、空気過剰率を一定で熱出力を急速に減少することが
できる。このような方法により、燃焼が安定でしかも、
ＮＯX の排出量が少ない状況を確保できる。

【００３０】なお、本発明の対象とするバーナは完全予
混合の予混合バーナに特に大きな効果を示すが、部分予
混合の予混合バーナに適用できるものである。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明はＮＯX の
排出の少ないクリーンな燃焼器を提供すことを目的とし
て、希薄燃焼を安定化させるため、空気過剰率が一定の
状態で熱出力を絞る際に、送風機と燃料制御弁の絞りを
連動させ、空気流量と燃料流量を絞る。

【００３２】第１の手段では、燃料制御弁の開度に連動
して、送風機の回転と逆トルクをかけ、送風機の回転数
を絞り、急速な熱出力の低減に対して、一定の空気過剰
率を確保する。第２の手段では、送風機の回転数に連動
して燃料制御弁の開度をしぼることにより、電機の消費
が少ない状態で熱出力を絞ることはできる。第３の手段
では、送風機の回転数と燃料制御弁の開度を湯温に連動
して絞ることにより、空気過剰率を適切に確保できる。
第４の手段では、送風機とノズルの間に空気弁を設ける
ことにより、空気流量を急速に減少させることができ
る。第５の手段では、空気通路に二次空気通路を設ける
ことにより、排気口に逆風がかかっても燃焼へ悪影響を
与えることはない。

【００３３】さらに、湯温の温度上昇を検知し、その上
昇速さに応じて、燃料制御弁の開度と送風機のファン制
動装置の電圧を調節する方法により、空気過剰率を一定
で熱出力を急速に減少することができる。このような方
法により、燃焼が安定でしかも、ＮＯX の排出量が少な
い状況を確保できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のバーナの断面図

【図２】従来例のバーナ起動時の絞り率−時間特性図

【図３】同バーナ起動時の空気過剰率−時間特性図

【図４】本発明の実施例におけるバーナの絞り率−時間
特性図

【図５】同空気過剰率−時間特性図

【図６】同絞り率−時間特性図

【図７】同空気過剰率−時間特性図

【図８】本発明における他の実施例のバーナの断面図

【図９】従来の完全予混合燃焼におけるＮＯX −空気過
剰率特性図

【図10】同絞り率−時間特性図

【図11】同空気過剰率−時間特性図

【符号の説明】

２送風機３バーナ６熱交換器７制御装置８ファン９モータ１０風量検出器１１ノズル１４燃料制御弁２６火炎検出器２７ファン制動装置２８湯温検出器２９空気通路３０空気弁

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【手続補正書】

【提出日】平成５年５月１４日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００９

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明の第１の課題解決手段は、予混合バーナを備え
た燃焼器であって、燃料を燃料制御弁から前記燃料ノズ
ルに供給し、燃焼用空気を送風機から供給し、前記送風
機には風量検出器とファン制動装置を設け、前記風量検
出器を燃料制御装置に接続した構成とする。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２１】図２には、熱出力を絞った場合の風量と燃
料流量の変化を示す。またそのときの空気過剰率の変化
を図３に示す。空気過剰率は可燃限界以内に設定され
る。ソレノイドを使用した燃料制御弁１４を使用してい
るため、燃料の供給量の制御の応答は、極めて速く、
０．１秒以内である。これに対して、送風機２にファン
制動装置２７（たとえば電源ブーレキ）を採用すること
でモータ９の回転数を急速に落とし、送風量を下げるこ
とができる。その結果、空気過剰率を一定の状態で、熱
出力を下げることができる。このように燃料流量に対応
して風量の制御を行うと、供給する湯の量を急速に絞っ
た場合でも湯温の上昇はほとんどなく、１℃以内に抑え
ることができる。一方、熱出力を増加させる場合には、
水温を水温検知器２６で検出し、水量制御弁を温度一定
になる範囲で調節し、湯の流量を徐々に所定流量に増加
させる。ここで送風機９に電源ブレーキを使用した例を
しめしたが、ファン８に回転と逆方向に回転トルクを強
制的にかけると良く、機械的ブレーキでもある程度の効
果が見られる。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２６】第４の手段として、図８に示すように送風
機２の下流側に空気通路２９を設け、この空気通路２９
に空気弁３０を設けた。前記空気通路２９は燃焼用空気
通路３１と二次空気通路３２に分かれた構成とする。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のバーナの断面図

【図２】本発明のバーナ起動時の絞り率−時間特性図

【図３】同バーナ起動時の空気過剰率−時間特性図

【図４】本発明における他の実施例のバーナの絞り率−
時間特性図

【図５】同空気過剰率−時間特性図

【図６】同絞り率−時間特性図

【図７】同空気過剰率−時間特性図

【図８】本発明における他の実施例のバーナの断面図

【図10】同絞り率−時間特性図

【図11】同空気過剰率−時間特性図

【符号の説明】２送風機３バーナ６熱交換器７制御装置８ファン９モータ１０風量検出器１１ノズル１４燃料制御弁２６火炎検出器２７ファン制動装置２８湯温検出器２９空気通路３０空気弁

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料ノズルから燃料を、送風機から燃焼
用空気を供給する予混合バーナを搭載する燃焼器におい
て、燃料を前記燃料ノズルに供給する燃料制御弁と、前
記送風機に設けた風量検出器と、前記風量検出器を接続
したファン制動装置を備え、熱出力を下げる際に前記燃
料制御弁と前記ファン制動装置を連動するようにした燃
焼器。
【請求項２】請求項１において、前記予混合バーナの
出口に熱交換器を設置し、前記熱交換器には湯温検出器
を設け、湯温を検出して燃料制御弁とファン制動装置を
作動させるようにした燃焼器。
【請求項３】燃料ノズルから燃料を、送風機から燃焼
用空気を供給する予混合バーナを搭載する燃焼器におい
て、燃料を前記燃料ノズルに供給する燃料制御弁と、前
記送風機に設けた風量検出器と、ファン制御装置を備
え、前記風量検出器をファン制動装置と燃料制御弁に接
続し、送風機の回転数と燃料制御弁の開度を制御し、所
定の供給量の燃料流量と風量を確保するようにした燃焼
器。
【請求項４】燃料ノズルから燃料を、送風機から燃焼
用空気を供給する予混合バーナを搭載する燃焼器におい
て、燃料を前記燃料ノズルに供給する燃料制御弁と、前
記送風機に設けた風量検出器と、ファン制御装置を備
え、前記風量検出器をファン制動装置と燃料制御弁に接
続し、送風機の回転数と燃料制御弁の開度を制御し、前
記風量検出器からの風量信号を前記燃料制御弁の動作信
号に変換する制御装置とを有する燃焼器。
【請求項５】燃料ノズルから燃料を、燃焼用空気を送
風機から供給する予混合バーナを装備する燃焼器におい
て、前記送風機と前記燃料ノズルの間に空気通路を装備
し、熱出力を下げる場合に数秒間空気通路を絞る空気弁
を具備する燃焼器。
【請求項６】燃料は燃料制御弁から前記燃料ノズルに
供給され、燃焼用空気を前記送風機から供給する予混合
バーナを装備する燃焼器において、前記送風機の下流側
に空気通路を装備し、前記空気通路は燃料ノズルに至る
燃焼用空気通路とバーナに至る二次空気通路によって構
成され、熱出力を下げる場合に数秒間前記燃焼用空気通
路を絞る空気弁を装備した燃焼器。
【請求項７】請求項第５または６において、空気弁は
閉止時に開部を有する燃焼器。
【請求項８】予混合バーナを用いた燃焼器において、
燃料を燃料制御弁から燃料ノズルを介して予混合バーナ
に供給し、燃焼用空気を制御装置と接続された送風機か
ら予混合バーナに供給し、湯温検出器で湯温の上昇速さ
を検知し、その速さに対応して、前記燃料制御弁の開度
と前記送風機の制動装置の動作を制御し、湯温と空気過
剰率を一定の状態で燃焼消費量を調節する燃焼器用燃料
空気供給方法。